机电一体化在数控机床的应用与发展

摘 要：数控机床是最具代表性的机电一体化系统之一，数控机床综合性能的提升在很大程度上得益于机电一体化最新成果的广泛应用。本文介绍了数控机床的发展现状，分析了数控机床的基本结构和工作原理，分析了我国在数控机床发展中面临的主要问题，对机电一体化在数控机床的应用进行了概述，并通过实际应用案例对机电一体化在数控机床的具体应用进行了研究，最后对机电一体化在数控机床的发展进行了展望。

关键词：机电一体化;数控机床;自动控制

1数控机床发展中存在的问题

1.1核心技术掌握不足

我国是制造业大国，也是机床消费第一大国，行业发展十分迅速，在制造业中占据了重要的地位。然而也应该看到，我国在数控机床制造上受制与国外的情况仍然十分普遍，尽管我国在系统集成应用方面有较高的水平，但在高端机床设备上，一些关键的芯片和零件仍以进口为主，国產产品性能不够强大，市场占有率不高，这是制约我国迈向世界数控机床强国的重要障碍。

1.2行业壁垒仍较明显

数控机床属于技术密集型产品，涉及众多电子、网络、通信、软件、机械等相关学科的知识，并且在结构设计和性能上均有极高的要求，而且目前数控机床相关技术还在快速的发展之中，这使一些普通制造企业想进入数控机床行业变得十分困难。因此，我国数控机床技术的发展仍以一些传统的大企业为主，新创企业很难具备足够的创新能力发展壮大。

1.3机电一体化结合不够

数控机床本身是一种机电一体化产品，经过多年的发展与应用，数控机床已经逐步形成了相对稳定的结构的技术系统，但是在机电一体化技术的快速发展之下，数控机床技术仍然相对滞后，没有将最先进的机电一体化技术融合进来，作为数控机床的发展动力。因此，机电一体化技术在数控机床上的应用仍然有待加强。

2机电一体化在数控机床的应用

2.1数控机床中的机械设计

机械部分是机电一体化产品的基础，但机械零部件是在电子技术的控制下发挥强大作用的，随着机电一体化技术的快速发展，当前的数控机床在机械设计上面临着更加巨大的挑战。电子系统要求机械一体化产品具有结构简单、体积小巧、质量轻便、运动精确等特点，以充分发挥机电一体化的优势。在机电一体化技术的应用下，机床的每个传动机构和坐标轴都需要通过独立的伺服电机来驱动，而且其空间位置关系必须由计算机进行高速运算实时控制。

目前数控机床中的机械设计技术已经发生了很大的变化。机床主体一般设计为全封闭形式，避免加工过程中的碎屑或润滑液甩出造成事故，同时设计了自动排屑系统，通过倾斜床身等机械设计手段使碎屑更快速排出。在工件装夹方面，采用了液压卡盘进一步提高夹紧力，采用变频技术实现主轴的大范围无级调速。通过自动回转刀架的设计实现自动换刀，满足不同工序的连续自动作业要求。这些都是机械设计给数控机床带来的重大改进。

2.2数控机床中的自动控制

传统的普通机床需要手工调整刀具和零件位置，精度很难得到保证，并且人力劳动强度很大。在机电一体化技术应用以来，各种先进的自动控制技术开始引进机床的运动机构，实现了快速、精确的定位和调速，大大提高了机床的加工效率和精度。技术人员通过事先编写程序对机床各轴的运动轨迹进行定义，然后通过计算机运行程序即可实现零件的自动加工。可见，自动控制技术已经成为数控机床的重要组成部分，成为“数控”二字的核心内涵。机床的自动控制主要依赖于控制器的应用，当前应用最广泛的是可编程控制器PLC，它可以与数控装置进行指令的交互，通过译码和信息转换完成控制信号的识别，从而准确快速地完成对机床相应机构的运动控制，控制结果会实时反馈回数控装置，由数据装置对运作进行持续修正，使机床严格按照预设的参数进行自动调速，实现高精度高效率的零件加工。

2.3数控机床中的伺服驱动

在机床设备中，负责完成各种运作的机构零部件称为执行机构，而执行机构本身是不会运动的，在传统普通机床中，它由人来操作，而在机电一体化数控机床中，它是由驱动装置完成特定动作的。驱动装置是电子控制系统的指令转换为机械运动的关键环节，它一方面通过通信接口接收数控装置发出的控制指令，然后将该指令转换为机械运动，使执行机构按指令要求完成特定的动作。当前广泛应用的是伺服驱动技术，它直接决定了数控机床的动态性能和精度控制能力。伺服系统一般由驱动单元、进给单元等构成，控制信号需要由功率放大器放大后才能驱动沉重的机械机构。数控机床的高稳定性和高精度性能，主要得益于伺服驱动技术的成功应用。

3机电一体化的数控机床的发展

3.1高速化发展

当前，随着社会运行节奏的加快，各行各业都要求具有更高的效率，机械加工的速度也必须进一步提高才能满足社会发展的需求。但对于数控机床而言，速度与精度、稳定性等性能不可兼得，速度过快必然影响加工的精度和设备的稳定性。然而在机电一体化技术快速发展的背景下，进一步提高数控机床的加工数据成为了可能。

3.2高精度发展

精度的提高是数控机床发展带来的主要好处之一，通过自动控制系统的应用使传统依靠人工控制的加工方式得到了彻底改变，在计算机配置软件的应用下，机电一体化应用下的数控机床在加工精度上还有很大的提升空间。

3.3复合化发展

一般来说，待加工的工件结构越复杂，在加工过程中需要停顿的次数就越多，例如中途换刀、更换夹具、改变夹持方向等。在机电一体化技术的发展下，数控机床开始采用多轴控制技术，可以一次性完成更多的复杂组合动作，减少中途暂停的时间，提高复杂零件的加工效率。

3.4智能化发展

智能化技术是当前各行各业发展的共同趋势，在数控机床的发展中，由于一体化技术的强大支撑，各种先进的人工智能技术引进数控系统成为了可能，从而使得数控机床具备一定的智能化水平，模仿人的智慧进行零件加工，处置突发情况。当然，数控机床的智能化仍处于初级阶段，但不得不说是一个必然的发展趋势。

参考文献：

[1]刘晓玲，齐庆国.数控机床[M].冶金工业出版社，2014.

[2]封士彩，王长全.机电一体化导论[M].西安电子科技大学出版社，2017.

作者简介：

陈琪钰（2000-）男，汉族，籍贯：湖南长沙，学历：本科，研究方向：机械电子工程。